葛少云，朱振環(huán)，劉 洪，馬 康，劉 軍

（1.天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192）

電網(wǎng)安全性是指電網(wǎng)對(duì)故障等擾動(dòng)事件的抵御能力，直接反映了電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)程度和對(duì)用戶(hù)的不間斷供電能力。配電網(wǎng)的安全運(yùn)行是整個(gè)電網(wǎng)安全運(yùn)行的重要一環(huán)，是目前提高供電系統(tǒng)運(yùn)行水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。統(tǒng)計(jì)資料表明[1]：大約有80%的停電事故是由配電系統(tǒng)故障造成的。因此，準(zhǔn)確評(píng)估配電網(wǎng)的故障停電風(fēng)險(xiǎn)，找出薄弱環(huán)節(jié)加以改進(jìn)，提高供電安全性，已成為目前亟待解決的問(wèn)題。

目前，電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的研究主要集中在主網(wǎng)的范疇，配網(wǎng)方面的研究較少。在主網(wǎng)方面，應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法解決不同問(wèn)題取得了諸多成果，如區(qū)域電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系[2]、對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法[3]、評(píng)估電力系統(tǒng)脆弱性的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)[4-5]、復(fù)雜電力系統(tǒng)連鎖故障的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法[6-7]、綜合暫態(tài)穩(wěn)定指標(biāo)[8]。然而，上述方法并不能直接應(yīng)用于配電網(wǎng)。這是因?yàn)榕潆娋W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備種類(lèi)多、數(shù)量大、分散廣，運(yùn)行方式多變，容易受到各種外部因素的影響，故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估涉及的因素眾多，而評(píng)估既要從整體上得到技術(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果，又要在關(guān)鍵點(diǎn)上得到細(xì)致的量化，上述方法難以滿(mǎn)足這些要求；在配電網(wǎng)方面，風(fēng)險(xiǎn)研究多數(shù)偏重于經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)，往往是對(duì)配電網(wǎng)規(guī)劃[9]和改造方案[10]進(jìn)行評(píng)估，考慮的是預(yù)測(cè)負(fù)荷和電價(jià)等變動(dòng)因素。也有文獻(xiàn)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的方法建立了配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型[11]，或者歸納出配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素，建立風(fēng)險(xiǎn)損失值的計(jì)算公式[12]。以上研究的不足是：①研究主要集中在經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)方面，沒(méi)有對(duì)故障停電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有針對(duì)性的研究；②沒(méi)有嚴(yán)格區(qū)分故障停電事件和預(yù)安排停電事件所造成的風(fēng)險(xiǎn)；③沒(méi)有提出一套能夠綜合反映配電網(wǎng)的整體故障風(fēng)險(xiǎn)與技術(shù)管理等薄弱之處的評(píng)估方法。

本文構(gòu)建了一套科學(xué)的配電網(wǎng)故障停電風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法，以指導(dǎo)實(shí)際配電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)。首先，以故障基準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)為基礎(chǔ)，并考慮各種因素的影響，提出了故障風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估的計(jì)算方法；其次，從風(fēng)險(xiǎn)的角度建立了全面評(píng)估故障基準(zhǔn)風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)體系；最后，對(duì)綜合故障發(fā)生概率和故障影響后果這兩方面的故障風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化評(píng)估。

1 配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法

1.1 配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的概念

風(fēng)險(xiǎn)是指潛在損失的變化范圍與變動(dòng)幅度，對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是故障發(fā)生概率和影響后果的綜合。電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的根源在于其行為的概率特征。Vittal 等[13]給出了電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本定義，即綜合度量電力系統(tǒng)面臨的不確定性因素的可能性與嚴(yán)重性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：Xf為系統(tǒng)運(yùn)行方式；Ei為第i 個(gè)故障；pr（Ei）為故障Ei發(fā)生的概率；Sev（Ei，Xf）為在Xf的運(yùn)行方式下發(fā)生第i 個(gè)故障后系統(tǒng)的損失嚴(yán)重程度；Risk（Xf）為系統(tǒng)在Xf運(yùn)行方式下的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是評(píng)估擾動(dòng)事件對(duì)電力系統(tǒng)的潛在影響程度，評(píng)估的內(nèi)容主要包括擾動(dòng)事件發(fā)生的可能性與嚴(yán)重性?xún)蓚€(gè)方面。

本研究定義的配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是指對(duì)配電網(wǎng)中各種故障風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率、產(chǎn)生的影響后果進(jìn)行量化評(píng)估，從而確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的過(guò)程。

1.2 配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法整體結(jié)構(gòu)

本評(píng)估方法的評(píng)估依據(jù)是綜合故障概率值和綜合故障后果值。根據(jù)配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的概念確定的配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)值，即

故障風(fēng)險(xiǎn)=綜合故障概率×綜合故障后果

其中，綜合故障概率值、綜合故障后果值分別由故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系中計(jì)算出的基準(zhǔn)故障概率值、基準(zhǔn)故障后果值和有關(guān)影響因數(shù)計(jì)算得到。

配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)具有隨機(jī)性和動(dòng)態(tài)性，故障風(fēng)險(xiǎn)不僅取決于電網(wǎng)本身，而且和天氣狀況、負(fù)荷結(jié)構(gòu)以及故障發(fā)生的時(shí)刻等隨機(jī)因素有關(guān)。在配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估中將綜合故障概率值和綜合故障后果值的乘積大小作為風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)的依據(jù)，有利于評(píng)估大概率小損失故障事件和小概率大損失故障事件的影響，能夠兼顧安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1.3 綜合故障概率值

綜合故障概率值的計(jì)算公式為

綜合故障概率=基準(zhǔn)故障概率×氣象影響因數(shù)

其中，基準(zhǔn)故障概率值由故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系中的基準(zhǔn)故障概率指標(biāo)經(jīng)運(yùn)算得到。

在惡劣天氣條件下，配電網(wǎng)的運(yùn)行將會(huì)承受多方面的壓力，故障發(fā)生的可能性顯著上升。為了表征氣象因素對(duì)配電網(wǎng)故障發(fā)生概率的放大作用，引入氣象影響因數(shù)。氣象影響因數(shù)依據(jù)不同的天氣類(lèi)型確定，本文依據(jù)氣象災(zāi)害預(yù)警信號(hào)，僅選取其較為嚴(yán)重的黃色、橙色和紅色預(yù)警等級(jí)，如表1 所示。

1.4 綜合故障后果值

綜合故障后果值的計(jì)算公式為

綜合故障后果=基準(zhǔn)故障后果值×?xí)r間因數(shù)×負(fù)荷重要因數(shù)

其中，基準(zhǔn)故障后果值由故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系中的基準(zhǔn)故障后果指標(biāo)經(jīng)運(yùn)算得到。

對(duì)于有著不同重要等級(jí)負(fù)荷的配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，重要負(fù)荷所占的比重越大，發(fā)生故障的后果越嚴(yán)重；另外，不同時(shí)間發(fā)生故障造成的損失也是不同的，因此，引入負(fù)荷重要因數(shù)和時(shí)間因數(shù)，如表2所示。負(fù)荷重要因數(shù)將依據(jù)Ⅰ、Ⅱ級(jí)負(fù)荷的比重確定。在無(wú)法獲得負(fù)荷比重?cái)?shù)據(jù)時(shí)，也可以依據(jù)負(fù)荷分布的地域特征，經(jīng)過(guò)換算獲得負(fù)荷重要因數(shù)。

表1 氣象影響因數(shù)Tab.1 Weather factors

表2 負(fù)荷重要因數(shù)Tab.2 Load factors

時(shí)間因數(shù)考慮一般工作日、節(jié)假日、特殊保供電時(shí)期3 種情況，如表3 所示。

表3 時(shí)間因數(shù)Tab.3 Time factors

2 配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

2.1 基準(zhǔn)故障概率指標(biāo)

配電網(wǎng)在運(yùn)行中受到外部和內(nèi)部多種因素的影響，容易發(fā)生短路、斷線、絕緣擊穿和閃絡(luò)等故障。配電網(wǎng)中故障發(fā)生的概率難以用解析方法描述，結(jié)合層次分析法用指標(biāo)體系來(lái)反映配電網(wǎng)故障發(fā)生概率水平。在正常天氣下，配電網(wǎng)故障發(fā)生概率的影響因素有裝備水平、運(yùn)行維護(hù)水平和外力破壞3 大方面，由此建立的指標(biāo)集如圖1 所示。裝備水平反映架空線和電纜的防護(hù)水平以及電力設(shè)備的技術(shù)先進(jìn)可靠程度；運(yùn)行維護(hù)水平反映設(shè)備整體服役年限、運(yùn)行狀態(tài)和維護(hù)管理水平；外力破壞專(zhuān)指人為、樹(shù)木、鳥(niǎo)獸的破壞，反映這幾種外部因素對(duì)配電網(wǎng)的影響。

圖1 基準(zhǔn)故障概率指標(biāo)Fig.1 Benchmarking fault probability indexes

基準(zhǔn)故障概率指標(biāo)考慮影響故障概率的內(nèi)部因素和外部因素，利用電網(wǎng)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，有效反應(yīng)配電網(wǎng)故障發(fā)生概率的水平。

2.2 基準(zhǔn)故障后果指標(biāo)

配電網(wǎng)故障發(fā)生后造成的損失大小是由電網(wǎng)的反應(yīng)能力決定的。有著良好故障控制能力的電網(wǎng)能夠迅速地隔離故障，轉(zhuǎn)移負(fù)荷，并盡快處理故障恢復(fù)供電，符合以上條件的配電網(wǎng)中故障后果嚴(yán)重程度較低。

基準(zhǔn)故障后果指標(biāo)主要包括電源控制能力、配網(wǎng)控制能力、用戶(hù)控制能力和自動(dòng)化水平4 個(gè)方面，由此建立的指標(biāo)集如圖2 所示。電源控制能力表現(xiàn)在配網(wǎng)中每條饋線均具備多路可供獲取的上級(jí)電源，并且可以靈活地在多個(gè)電源之間進(jìn)行切換；配網(wǎng)的控制能力包含3 部分內(nèi)容：負(fù)荷的隔離（縮小故障的影響范圍）、負(fù)荷的轉(zhuǎn)移（在不同線路間轉(zhuǎn)移負(fù)荷）和開(kāi)關(guān)的控制（控制故障隔離及負(fù)荷轉(zhuǎn)移的速度）；用戶(hù)控制能力體現(xiàn)在發(fā)生停電時(shí)，電網(wǎng)中重要用戶(hù)的供電保障能力；自動(dòng)化水平對(duì)故障風(fēng)險(xiǎn)后果的影響是多方面的，如通過(guò)故障指示加快了故障定位速度、通過(guò)設(shè)備監(jiān)控加強(qiáng)了對(duì)設(shè)備運(yùn)行的管理、通過(guò)對(duì)主要開(kāi)關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和更高層次的故障自動(dòng)隔離技術(shù)加強(qiáng)了對(duì)停電的控制能力。

圖2 基準(zhǔn)故障后果指標(biāo)Fig.2 Benchmarking fault severity indexes

圖2指標(biāo)中，站間聯(lián)絡(luò)線比例反映的是在配電網(wǎng)不同變電站間進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移的可能性；中壓線路聯(lián)絡(luò)率反映的是配電網(wǎng)中壓饋線間進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移的可能性；主變“N-1”平均失負(fù)荷比例是指配電網(wǎng)失去1 臺(tái)上級(jí)主變時(shí)，通過(guò)負(fù)荷轉(zhuǎn)移處理后的配電網(wǎng)失電負(fù)荷對(duì)總負(fù)荷比值的平均值；線路“N-1”平均失負(fù)荷比例是指配電網(wǎng)中有聯(lián)絡(luò)的線路，在失去電源經(jīng)轉(zhuǎn)電處理后，損失的負(fù)荷對(duì)線路總負(fù)荷比的平均值。

2.3 指標(biāo)定義和計(jì)算方法

指標(biāo)體系中的每個(gè)指標(biāo)均有明確的定義和方便的計(jì)算方法。建立指標(biāo)體系時(shí)考慮了計(jì)算所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的易獲得性和指標(biāo)計(jì)算的可操作性。由于篇幅限制，僅以GIS 設(shè)備使用率和線路平均分段數(shù)為例進(jìn)行說(shuō)明。GIS 設(shè)備使用率是指110/35 kV 氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）所占高壓開(kāi)關(guān)總數(shù)的比例（按間隔計(jì)算），用于反映先進(jìn)高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的使用情況。線路平均分段數(shù)是指中壓線路分段總個(gè)數(shù)與中壓線路條數(shù)的比值，用于反映中壓配電網(wǎng)供電靈活性與停電影響范圍。

2.4 指標(biāo)權(quán)重

指標(biāo)權(quán)重是對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)間相對(duì)重要性的度量，權(quán)重大小反映該指標(biāo)相對(duì)其他指標(biāo)重要性的高低。德?tīng)柗品ň哂心軌虺浞掷脤?zhuān)家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，本研究中采用該方法確定指標(biāo)權(quán)重。

綜合多位電力系統(tǒng)專(zhuān)家的意見(jiàn)，最終獲得各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。由于篇幅限制，僅在表4 中給出設(shè)備裝備水平的4 個(gè)指標(biāo)的權(quán)重設(shè)定結(jié)果，基準(zhǔn)故障概率指標(biāo)中設(shè)備裝備水平的權(quán)重是0.357 5。

表4 部分指標(biāo)權(quán)重Tab.4 Part of index weights

2.5 評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是指標(biāo)值和指標(biāo)得分間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。采用德?tīng)柗品ǐ@得離散的指標(biāo)評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)，部分評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表5 所示。

評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是離散的，不能夠很好地反映指標(biāo)得分的變化情況，利用Matlab 軟件中的curve fitting tool 工具對(duì)離散的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行曲線擬合，得到指標(biāo)評(píng)分函數(shù)，據(jù)此計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分。依據(jù)層次分析法逐層向上計(jì)算，分別得到基準(zhǔn)故障概率值得分和基準(zhǔn)故障后果值得分，計(jì)算公式為

表5 部分評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Part of index evaluation criteria %

式中：Sk為層次結(jié)構(gòu)中任一非底層指標(biāo)的評(píng)分；n為指標(biāo)Sk的下層指標(biāo)個(gè)數(shù)為下層指標(biāo)j為下層指標(biāo)j 的權(quán)重。

3 故障風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估

3.1 綜合故障概率量化評(píng)估

根據(jù)配電網(wǎng)綜合故障概率值的大小，故障可能性分為可能性很大、可能性較大、可能性一般、可能性較小和可能性很小5 個(gè)等級(jí)，如表6 所示。綜合故障概率值是考慮到各種影響因素的綜合分值，反映配電網(wǎng)整體的故障發(fā)生概率水平，并不代表故障發(fā)生的百分比可能性。

表6 綜合故障概率量化分級(jí)Tab.6 Quantitive classification for comprehensive fault probability

3.2 綜合故障后果量化評(píng)估

根據(jù)配電網(wǎng)綜合故障后果值的大小，故障后果嚴(yán)重程度分為特大損失、重大損失、較大損失、一般損失和輕微損失5 個(gè)等級(jí)，如表7 所示。

表7 綜合故障后果量化分級(jí)Tab.7 Quantitive classification for comprehensive fault severity

3.3 故障風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估

根據(jù)配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)值大小，配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)分為5 級(jí)：Ⅰ級(jí)（特大風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅱ級(jí)（重大風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅲ級(jí)（較大風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅳ級(jí)（一般風(fēng)險(xiǎn)）和Ⅴ級(jí)（輕微風(fēng)險(xiǎn)），如表8 所示?；鶞?zhǔn)故障概率值和基準(zhǔn)故障后果值的取值范圍均為0～100，考慮最嚴(yán)重的情況，即氣象因數(shù)取20、負(fù)荷重要因數(shù)取1.2 和時(shí)間因數(shù)取1.5，此時(shí)可能的最大風(fēng)險(xiǎn)值為27 000。

各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)值的取值區(qū)間由表6和表7 中量化分級(jí)區(qū)間決定，如Ⅲ級(jí)（較大風(fēng)險(xiǎn)）對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值區(qū)間[400，1600）是由表6 中“可能性一般”（20～40）和表7 中“較大損失”（20～40）區(qū)間兩端數(shù)值相乘得到。這種處理方式與分別以故障可能性和故障后果嚴(yán)重程度為坐標(biāo)軸建立二維風(fēng)險(xiǎn)決策矩陣是等價(jià)的，但是考慮到本方法獲得的風(fēng)險(xiǎn)值具有數(shù)值連續(xù)性，所以采用數(shù)值區(qū)間的處理方式。故障風(fēng)險(xiǎn)量化分級(jí)對(duì)于配電網(wǎng)的管理評(píng)估具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表8 配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)量化分級(jí)Tab.8 Quantitive classification for distribution network fault risk

4 某配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

應(yīng)用本評(píng)估方法對(duì)某配電網(wǎng)進(jìn)行故障風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集和基層指標(biāo)計(jì)算后，利用所設(shè)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。選取的配電網(wǎng)工作條件為正常天氣（氣象影響因數(shù)取1）、一般工作日（時(shí)間因數(shù)取1）、重要負(fù)荷比例為60%（負(fù)荷重要因數(shù)取1）。評(píng)估指標(biāo)值和得分如表9 所示。

評(píng)估的結(jié)果為：配電網(wǎng)的故障風(fēng)險(xiǎn)值為820.8，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為“較大風(fēng)險(xiǎn)”。其中，綜合故障概率值為24.0，等級(jí)為“可能性一般”；綜合故障后果值為34.2，等級(jí)為“較大損失”?？梢钥闯龉收嫌绊懞蠊梅州^高，是造成故障風(fēng)險(xiǎn)的主要方面。

故障影響后果方面自動(dòng)化水平和用戶(hù)控制能力是薄弱環(huán)節(jié)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)化水平中配網(wǎng)自動(dòng)化覆蓋率偏低，該指標(biāo)得分為67.1；用戶(hù)控制能力不足，兩個(gè)下級(jí)指標(biāo)得分分別為40.0 和49.7。另外，負(fù)荷隔離能力中線路平均分段數(shù)指標(biāo)得分較高（60.0），負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力中線路“N-1”平均失負(fù)荷比例指標(biāo)得分較高（55.3）。

表9 評(píng)估指標(biāo)值及得分Tab.9 Value of index and score

故障發(fā)生概率方面外力破壞是薄弱環(huán)節(jié)，其中，電纜線路警告牌比例和樹(shù)線矛盾線路治理比例指標(biāo)得分偏高，分別為44.1 和55.0。裝備水平方面架空線絕緣化率偏低和電纜直埋比例偏高，這兩個(gè)指標(biāo)的得分為56.5 和54.9。

以上指標(biāo)得分越高，表示該環(huán)節(jié)越薄弱，建議針對(duì)該配電網(wǎng)的上述方面采取改進(jìn)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從風(fēng)險(xiǎn)的角度出發(fā)，提出了科學(xué)合理的配電網(wǎng)故障風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估方法。該方法能夠綜合評(píng)估多因素影響下的配電網(wǎng)故障停電風(fēng)險(xiǎn)，適用于我國(guó)各地區(qū)配電網(wǎng)的評(píng)價(jià)和對(duì)比，對(duì)于配電網(wǎng)的規(guī)劃和建設(shè)均有很好的指導(dǎo)作用。隨著智能電網(wǎng)研究和建設(shè)的推進(jìn)，可在本評(píng)估方法的基礎(chǔ)上增加分布式能源、微網(wǎng)運(yùn)行、高級(jí)保護(hù)與控制等方面的評(píng)價(jià)內(nèi)容，以期對(duì)配電網(wǎng)故障停電風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效評(píng)估。

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